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锂硫电池正极材料的研究

【摘要】:锂硫电池由于具有能量密度大、环境友好、低成本等特点,被认为是最有可能替代锂电池成为动力电池的储能系统之一。然而普通的锂硫电池硫正极存在诸多缺点,包括:(1)元素硫和它的放电产物(Li_2S/Li_2S_2)的本征导电性很差,所以需要添加大量导电剂,致使电池的能量密度下降;(2)硫与Li_2S的密度相差较大,在互相转换的过程中的体积问题使材料结构破坏;(3)硫正极会生成一系列多硫化物,这些多硫化物在充电和放电过程中很容易溶于电解液中,并产生“穿梭效应”。这些问题往往是相伴而生,相互影响,制约了锂硫电池的商业化步伐。为了解决上述问题,本文从导电性、孔隙度、以及物理化学吸附三个方面设计制备了两种锂硫电池正极材料,研究它们的电化学性能,并且利用一系列测试手段分析探讨产生这种性能的原因,取得了如下结果:(1)FePS_3包覆空心硫球(HSS@FePS_3)正极材料:采用电剥离的方法制得FePS_3纳米片,用来包覆空心硫球,形成独特的核壳结构,用作锂硫电池正极。电化学测试结果显示:HSS@FePS_3复合材料在较低倍率(0.1 C)容量1391 mAh/g远高于对照组的容量。即使在较高的倍率(1 C)下仍然有超过1000圈的稳定循环,仍能保持54%的容量,而对照组(HSS)的循环曲线明显较低,说明HSS@FePS_3复合材料相较于HSS材料提高了倍率性能和循环稳定性。(2)导电Ni-MOF(Ni_3(HITP)_2)/硫复合材料:以导电性较好的Ni-MOF材料为基底,采用简单的热扩散的方法,将S与Ni_3(HITP)_2复合到一起,得到Ni_3(HITP)_2/S复合材料,用作锂硫电池的正极。电化学测试结果表明:Ni_3(HITP)_2/S复合材料表现出很好的循环稳定性,在0.5 C的条件下首次放电比容量为1050 mAh/g远高于对照组的750 mAh/g,之后的容量下降较慢,200圈后的容量仍有551 mAh/g。即使在较大的倍率下(1 C)能稳定循环500圈以上,容量保持率高达68%。这种Ni_3(HITP)_2材料能提高正极的导电性,从而表现出较好的倍率性能。论文有37张图,2个表格,108篇参考文献。

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